ACS Nano：納米粘土介導仿貽貝超強持久自粘附水凝膠

【引言】

具有粘附性的水凝膠在皮膚修復、傷口敷料、傷口縫合、和可穿戴設備等多個領域具有廣泛的應用前景。然而，現有的粘附型水凝膠大多力學性能較差，且粘附性通常是一次性的。制備兼具持久粘附性、優良力學性能、能夠反復多次粘附的水凝膠目前仍然是一個挑戰。

【文章簡介】

針對傳統水凝膠力學性能差、缺少組織粘附性，難以與生物組織整合的難題，西南交通大學魯雄教授課題組，受海水環境中貽貝粘附行為的啟發，采用二維層狀納米粘土產生仿海水環境，介導多巴胺氧化，制備了納米粘土介導仿貽貝超強持久自粘附水凝膠。這個多巴胺聚合過程模擬了在海水環境下貽貝的粘附過程，貽貝在其密閉的足絲斑塊中，通過不斷分泌還原性蛋白，保持大量含酚羥基的粘附蛋白，從而形成超強粘附性。相關成果以“Mussel-Inspired Adhesive and Tough Hydrogel Based on Nanoclay Confined Dopamine Polymerization”為題發表在2017年2月28日出版的納米材料領域著名期刊《美國化學會-納米》（ACS Nano，影響因子：13.33）上。該研究得到了國家重點研發計劃、863、國家自然科學基金等項目支持。該研究得到了國家重點研發計劃、863、國家自然科學基金等項目支持。

【圖文導讀】

圖1納米粘土介導仿貽貝超強持久自粘附水凝膠形成機理

（a）納米粘土片層結構的分子模型。

（b）多巴胺（DA）分子插層到粘土層間。

（c）粘土介導 DA 氧化形成聚多巴胺（PDA）。

（d）粘土納米層間的空間模擬了貽貝的粘附盤中的有限空間,這是該水凝膠具有粘附性的關鍵。

（e）AM 單體、交聯劑、引發劑添加到 PDA 插層的粘土懸浮液中形成凝膠前驅體。

（f）原位聚合形成PDA-clay-PAM水凝膠

圖2 PDA-clay-PAM 水凝膠宏觀及微觀形貌

（a）clay介導的DA氧化形成了可以自粘附的PDA-clay-PAM 水凝膠。

（b）流變學實驗證明PDA-clay-PAM 水凝膠具有良好的粘彈性行為。

（c）PDA-clay-PAM 水凝膠的微觀SEM圖像，紅色箭頭表示在層間形成絲狀的微纖維結構。

圖 3 PDA-clay-PAM 水凝膠的粘附性

（a） PDA-clay-PAM 水凝膠能粘附到各種表面：玻璃、金屬鈦 Ti、聚合物表面。

（b）水凝膠也能 粘附到自然界中的表面：親水的巖石， 疏水的葉子（黃色箭頭顯示水滴）， 和兩個新鮮的器官（大鼠的肝和腎）。

（c）水凝膠在豬皮表面的粘附強度。

（d）（i）將水凝膠直接貼在人的手臂上，如綠色箭頭所示；（ii）將計步器通過水凝膠粘附在手臂上用于運動時計步；（iii） 停止運動后取下計步器；（iv）水凝膠容易從手臂上剝離，且對皮膚不造成任何傷害或引起過敏，無殘留物。

（e）DA 和粘土含量對 PDA-clay-PAM 水凝膠的粘附強度的影響。

（f）PDA-clay-PAM 水凝膠的反復多次粘附行為

圖4 PDA-clay-PAM 水凝膠的力學性能

（a）照片顯示 PDA-clay-PAM 被拉長初始長度的 20 倍，在去除載荷后水凝膠回復至初始長度。

（b）PDA-clay-PAM 水凝膠在被壓縮至 80%后 能恢復到原來的形狀。

（c）PDA-clay-PAM、PDA-PAM、clay-PAM、PAM 水凝膠的典型拉伸 應力-應變曲線。

（d1）DA 含量對水凝膠拉伸比的影響。

（d2）粘土含量對水凝膠拉伸比的影響。

（e-h）DA 和粘土含量對 PDA-clay-PAM 水凝膠拉伸比（e），斷裂能（f）、拉伸強度（g）、 抗壓強度（h）的影響。

圖5 PDA-clay-PAM細胞親和性評價

粘附在 PDA在（a）PDA-clay-PAM 水凝膠上和（b）clay-PAM 水凝膠上的成纖維細胞，在培養 1，3，7天后，激光共聚焦掃描圖片。 比例尺 100 μm。

（c）培養3天，在PDA-clay-PAM水凝膠上和clay-PAM 水凝膠上成纖維細胞的SEM照片。

（d）在3和7天時，成纖維細胞在不同DA和粘土含量的水凝膠上生長情況。

【小結】

本研究提出了一種新型的超強自粘附水凝膠的設計思路，即基于納米粘土介導的仿貽貝粘附化學和納米復合增強的概念，制備了具有高強度、高韌性的自粘附水凝膠。該自粘附水凝膠不同于以往的單次使用的粘附性水凝膠，能夠具有可重復性和耐用性。尤其值得一提的是，該水凝膠的粘附性長期存在，對比于傳統的一次性粘附水凝膠，該水凝膠能夠反復多次使用，且粘附性不會減弱。另外，納米粘土在水凝膠形成過程中被插層，可作為功能型納米增強劑，賦予水凝膠優異的力學性能。體外細胞培養實驗表明水凝膠具有良好的細胞親和性，能夠促進細胞粘附和增殖。體內全層皮膚缺損實驗證明該水凝膠能夠促進皮膚組織的再生。本研究制備的具有自粘附性、細胞親和性、生物相容性的超強水凝膠能夠作為皮膚敷料替代傳統粘合劑。該研究提出了全新的設計調控多巴胺的聚合，及自粘附水凝膠的形成，為研發具有組織粘附性的超強水凝膠開拓了新的方向，促進了水凝膠臨床實際應用。

參考文獻：Mussel-Inspired Adhesive and Tough Hydrogel Based on Nanoclay Con?ned Dopamine Polymerization?（ACS Nano,?2017，DOI: 10.1021/acsnano.6b05318）

背逆時光 編輯整理。

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